可能比地球更宜居的行星在我们的星系中很常见

我们是否居住在所有可能世界中最好的世界？德国数学家戈特弗里德·莱布尼茨认为如此，他在 1710 年写道，我们的星球，尽管有缺点，但也一定是能想象到的最理想的星球。莱布尼茨的观点被普遍斥为不科学的妄想，尤其是法国作家伏尔泰在他的巨著《老实人》中。然而，莱布尼茨可能会从至少一群科学家那里找到同情——天文学家，几十年来，他们在寻找我们太阳系以外的世界时，一直将地球视为黄金标准。因为地球人仍然只知道一个有生命的世界——我们自己的世界——因此，将地球作为模板来寻找其他地方的生命，例如火星或木星多水的卫星木卫二上最像地球的区域，是有道理的。然而，现在，围绕太阳以外的恒星运行的潜在宜居行星（即系外行星）的发现正在挑战这种以地球为中心的观点。

在过去的二十年中，天文学家已经发现了 1,800 多颗系外行星，统计数据表明，我们的星系至少蕴藏着 1000 亿颗系外行星。在迄今为止发现的世界中，很少有与地球非常相似。相反，它们表现出真正的巨大多样性，在轨道、大小和组成上差异巨大，并且围绕着各种各样的恒星运行，包括比我们的太阳小得多、暗淡得多的恒星。这些系外行星的多样化特征向我和其他人表明，地球可能远未达到宜居性的顶峰。事实上，一些与我们自身截然不同的系外行星可能具有更高形成和维持稳定生物圈的可能性。这些“超宜居世界”可能是寻找地外、太阳系外生命的最佳目标。

一个不完美的星球

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当然，我们的星球确实具有许多特性，乍一看，这些特性似乎是生命的理想之选。地球围绕着一颗安静的中年恒星运行，这颗恒星已经稳定地闪耀了数十亿年，为生命的产生和进化提供了充足的时间。它拥有生命之源——海洋，这主要是因为它在太阳的“宜居带”内运行，这是一个狭窄的区域，我们恒星的光既不太强也不太弱。在该区域的内侧，行星的水会沸腾成蒸汽；在该区域的外侧，水会冻结成冰。地球也有适合生命生存的大小：足够大，可以用其引力场抓住相当大的大气层，但又足够小，以确保引力不会将窒息、不透明的气体云拉到行星上。地球的大小及其岩石成分也产生了其他促进宜居性的因素，例如调节气候的板块构造和保护生物圈免受有害宇宙辐射的磁场。

然而，我们科学家越是仔细研究我们自己星球的宜居性，我们的世界就越显得不理想。如今，地球各地的宜居性差异很大，因此其地表的大部分地区相对缺乏生命——想想干旱的沙漠、营养贫乏的开阔海洋和寒冷的极地地区。地球的宜居性也随时间而变化。例如，想想石炭纪的大部分时间，从大约 3.5 亿年前到 3 亿年前，地球的大气层比现在更温暖、更潮湿，而且富氧得多。甲壳类动物、鱼类和造礁珊瑚在海洋中繁衍生息，茂密的森林覆盖着大陆，昆虫和其他陆地生物长到巨大的体型。石炭纪的地球可能比我们今天的地球支持的生物量要多得多，这意味着今天的地球可能被认为不如古代某些时期宜居。

此外，我们知道地球在未来会变得远不如现在适合生命生存。大约 50 亿年后，我们的太阳将基本耗尽其氢燃料，并开始在其核心中融合更多高能氦，导致它膨胀成为一颗“红巨星”，这将把地球烤成灰烬。然而，早在那个时候之前，地球上的生命就应该已经结束了。随着太阳燃烧掉氢，其核心温度将逐渐升高，导致我们恒星的总亮度缓慢增加，每十亿年亮度增加约 10%。这种变化意味着太阳的宜居带不是静态的，而是动态的，因此随着时间的推移，随着它从我们亮度增加的恒星向外扫射，它最终会把地球甩在后面。更糟糕的是，最近的计算表明，地球不在宜居带的中间，而是在宜居带的内边缘，已经摇摇欲坠，接近过热的边缘 [见下图]。

寻找超宜居世界

2012 年，当我研究围绕气态巨行星运行的巨大卫星的可能宜居性时，我开始思考更适合生命生存的世界可能是什么样子。在我们的太阳系中，最大的卫星是木星的木卫三，其质量仅为地球的 2.5%——太小，无法轻易维持类似地球的大气层。但我意识到，在其他行星系统中，卫星质量接近地球质量是有可能形成的，可能是在恒星宜居带内的巨行星周围，在这些地方，卫星可能拥有类似于我们星球的大气层。

这种巨大的“系外卫星”可能是超宜居的，因为它们为潜在的生物圈提供了丰富的能源。与地球上的生命主要由太阳光提供能量不同，超宜居系外卫星的生物圈也可能从其附近巨行星的反射光和辐射热，甚至从巨行星的引力场中获取能量。当卫星围绕巨行星运行时，潮汐力会导致其地壳来回弯曲，产生摩擦，从而从内部加热卫星。潮汐加热现象可能是在木卫二和土卫二上产生地下海洋的原因。也就是说，这种能量多样性对于巨大的系外卫星来说将是一把双刃剑，因为重叠能源之间的轻微不平衡很容易将一个世界推入不宜居的状态。

尚未确定探测到任何系外卫星，无论是否宜居，尽管 NASA 开普勒太空望远镜等天文台的存档数据可能会迟早揭示一些系外卫星。目前，这些物体的存在和可能的宜居性仍然非常具有推测性。

另一方面，超宜居行星可能已经存在于我们已确认和候选系外行星的目录中。在 20 世纪 90 年代中期发现的第一批系外行星都是质量与木星相似的气态巨行星，并且轨道离它们的恒星太近，无法孕育任何生命。然而，随着行星搜寻技术的不断改进，天文学家已经开始在更宽、更温和的轨道上发现越来越小的行星。过去几年发现的大多数行星都是所谓的超级地球，这些行星比地球大，质量最多是地球的 10 倍，半径介于地球和海王星之间。事实证明，这些行星在其他恒星周围非常常见，但我们的太阳系中没有任何类似的东西围绕太阳运行，这使得我们自己的太阳系显得有些非典型。

许多更大、质量更大的超级地球的半径表明它们的大气层很厚、很蓬松，这使得它们更可能是“迷你海王星”而不是超大型地球。但是，一些较小的行星，可能大小是地球两倍的世界，可能确实具有类似地球的铁和岩石成分，并且如果它们在恒星的宜居带内运行，则可能在其表面上有丰富液态水。我们现在知道，许多潜在的岩石超级地球围绕着被称为 M 矮星和 K 矮星的恒星运行，这些恒星比我们的太阳更小、更暗淡，寿命更长。部分原因是由于它们的微小恒星寿命延长，这些超大型地球目前是超宜居世界最引人注目的候选者，正如我在与我的合作者约翰·阿姆斯特朗（韦伯州立大学的物理学家）的建模工作中表明的那样。

长寿的好处

我们开始工作时就认识到，真正长寿的宿主恒星是超宜居性最基本的要素；毕竟，行星生物圈不太可能在其太阳消亡后幸存下来。我们的太阳已经有 46 亿年的历史，大约在其估计的 100 亿年寿命的中途。然而，如果它稍微小一点，它就会是一颗寿命更长的 K 矮星。K 矮星的总核燃料比质量更大的恒星少，但它们更有效地利用燃料，从而延长了寿命。我们今天观察到的中年 K 矮星比太阳年长数十亿年，并且在我们的恒星消亡后仍将闪耀数十亿年。它们行星上任何潜在的生物圈都将有更多的时间来进化和多样化。

K 矮星的光线看起来会比太阳的光线略微发红，因为它会更多地向红外线偏移，但它的光谱范围仍然可以支持行星表面的光合作用。M 矮星更小，更节俭，可以稳定地闪耀数千亿年，但它们的光芒非常黯淡，以至于它们的宜居带非常靠近，可能会使那里的行星受到强烈的恒星耀斑和其他危险影响。K 矮星比我们的太阳寿命更长，但又不会暗淡得危险，因此似乎位于恒星超宜居性的最佳位置。

今天，其中一些长寿恒星可能蕴藏着潜在的岩石超级地球，这些地球已经比我们自己的太阳系古老数十亿年。生命可能在我们的太阳诞生之前很久就在这些行星系统中起源，在年轻的地球上甚至第一个生物分子从原始汤中出现之前，就已经繁荣和进化了数十亿年。我对这些古老世界上的生物圈可能能够像地球上的生命所做的那样，改变其全球环境以进一步增强宜居性的可能性特别着迷。一个突出的例子是大约 24 亿年前的“大氧化事件”，当时地球大气层中首次开始积累大量的氧气。氧气可能来自海洋藻类，并最终导致了能量更密集的代谢的进化，使生物能够拥有更大、更耐用和更活跃的身体。这一进步是生命从地球海洋逐渐出现并殖民大陆的关键一步。如果外星生物圈表现出类似的环境增强趋势，我们可以预期围绕长寿恒星运行的行星会随着年龄的增长而变得更加宜居。

为了实现超宜居性，围绕小型长寿恒星运行的系外行星需要比地球质量更大。更大的体积将阻止两个最有可能在岩石行星老化时降临的灾难。如果我们自己的地球位于小型 K 矮星的宜居带中，那么这颗行星的内部会在恒星消亡之前很久就变冷，从而抑制宜居性。例如，行星的内部热量驱动火山爆发和板块构造，这些过程补充和循环大气中温室气体二氧化碳的水平。如果没有这些过程，行星的大气二氧化碳会随着降雨将气体从空气中冲刷到岩石中而稳步减少。最终，依赖二氧化碳的全球温室效应将停止，从而增加类似地球的行星进入不宜居的“雪球”状态的可能性，在这种状态下，其所有地表水都会结冰。

除了行星变暖温室效应可能崩溃之外，老化岩石世界的冷却内部也可能导致任何保护性行星磁场的崩溃。地球受到由旋转的、对流的熔融铁核产生的磁场保护，该磁场就像一个发电机。由于行星形成过程中残留的热量以及放射性同位素的衰变，地核仍然液化。一旦岩石行星的内部热量储存耗尽，其地核就会凝固，发电机就会停止运转，磁屏蔽就会失效，从而使宇宙辐射和恒星耀斑侵蚀高层大气并冲击地表。因此，预计古老的类地行星会将其大气层的大部分散失到太空中，而更高水平的有害辐射可能会伤害地表生命。

质量是我们星球两倍的岩石超级地球应该比地球更优雅地老化，由于它们的体积明显更大，因此可以更长时间地保持内部热量。但是，质量大于地球质量三到五倍的行星实际上可能对于板块构造来说太大了，因为它们地幔中的压力和粘度变得非常高，以至于它们会抑制所需的热量向外流动。质量仅为地球两倍的岩石行星仍应具有板块构造，并且可以比地球持续更长时间的地质循环和磁场数十亿年。这样的行星直径也应该比地球大 25% 左右，这使得任何生物的生存表面积比我们的世界大 56%。

超宜居超级地球上的生命

超宜居行星会是什么样子？较高的表面重力往往会使中等大小的超级地球行星拥有比地球更厚实的大气层，并且其山脉的侵蚀速度会更快。换句话说，这样的行星将具有相对较厚的空气和较平坦的表面。如果存在海洋，则扁平的行星地貌可能会导致水聚集在大量的浅海中，这些浅海点缀着岛链，而不是在被少数非常大的大陆分割的巨大的深渊盆地中 [见下图]。正如地球海洋中的生物多样性在靠近海岸线的浅水中最为丰富一样，这样的“群岛世界”可能对生命非常有利。进化也可能在孤立的岛屿生态系统中更快地进行，从而有可能促进生物多样性。

当然，由于缺乏大型大陆，群岛世界可能提供的陆地生物总面积可能小于大陆世界，这可能会降低整体宜居性。但并非一定如此，尤其是考虑到大陆的中心区域很容易因远离温带、潮湿的海洋空气而变成贫瘠的沙漠。此外，行星的宜居表面积可能会受到其自转轴相对于其绕恒星轨道平面的方向的显着影响。例如，地球的自转轨道轴向倾斜度约为 23.4 度，这产生了季节，并缓和了原本会在较温暖的赤道地区和较寒冷的极地地区之间产生的极端温度差异。与地球相比，具有有利自转轨道排列的群岛世界可能拥有温暖的赤道以及温暖、无冰的极地地区，并且由于其更大的尺寸和全球更大的表面积，与拥有大型大陆相比，可能会拥有更多适合生命生存的陆地。

开普勒望远镜最令人瞩目的发现之一，行星开普勒-186f，浮现在脑海中。这个世界于 2014 年 4 月宣布，直径比地球大 11%，可能是岩石行星，在其 M 矮星的宜居带中运行。它可能已经有数十亿年的历史，甚至可能比地球更古老。它距离我们约 500 光年，超出了当前和近期观测的范围，这些观测可以更好地限制对其宜居性的预测——但就我们所知，开普勒-186f 可能是一个超宜居的群岛世界。

欧洲航天局的 PLATO 任务计划于 2026 年发射，各种项目可能会很快发现围绕附近小恒星运行的更近的超宜居候选者。这些附近的系统可能成为詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要目标，该天文台计划于 2018 年发射，它将寻找少数潜在超宜居世界大气层中生命的迹象。如果运气好的话，我们可能很快就能指出天空中一个存在更完美世界的地方。